Саратов был основан в 1590 году как сторожевая крепость московскими стрельцами. До учреждения Саратовско-Пензенской епархии в 1799 году город в церковных вопросах подчинялся астраханским архиереям. Первая деревянная Троицкая церковь на месте нынешнего собора была построена по благословению астраханского епископа Парфения в 1674-1675 годах. Она была возведена быстро на единственной площади Саратова, но спустя десять лет, в 1684 году, сгорела в пожаре. Протопоп Игнатий Данилов и братия обратились к митрополиту Астраханскому и Терскому Савватию с просьбой разрешить строительство нового храма на прежнем месте.

Переписка с астраханским архиерейским домом длилась пять лет, и только в июне 1689 года митрополит Савватий выслал в Саратов разрешение на строительство, указав некоторые конструктивные особенности будущего храма. Строительство началось быстро благодаря усилиям жителей города, и в 1694 году храм был готов к освящению. В октябре 1695 года он был освидетельствован архимандритом Иосифом из Астрахани. В акте освидетельствования упоминалось имя первого настоятеля, протопопа Григория Спиридонова, а также описывалась деревянная кровля и колокольня с колоколами разного веса.

В октябре 1695 года архимандрит Иосиф освятил оба храма собора: верхний в честь Святой Троицы и нижний в честь Успения Божией Матери. В акте приемки отмечалась печь в трапезной нижнего храма, что было новшеством для провинциальных храмов того времени. Возможно, зимой богослужения проводились в теплой трапезной, а летом в неотапливаемой части храма. Духовенство собора столкнулось с трудностями из-за малочисленности прихода. Настоятель Игнатий Данилов обратился к Петру Великому с просьбой о выделении земельного участка, и в 1696 году государь распорядился предоставить участок церкви.

26 октября 2016 года в Свято-Троицком соборе Саратова состоялось Таинство Венчания и впервые за 99 лет в России была проведена гражданская регистрация брака сотрудниками ЗАГС.